Рабочая гипотеза, цель и задачи работы

Выполненный краткий анализ состояния вопроса в области твердения цементных систем показал массу до сих пор не решенных проблем, что можно интерпретировать, как неадекватное отражение хрестоматийных сквозьрастворных представлений процесса отвердевания цементных композиций. Даже рассматривая твердение цемента с позиций коллоидно-химических (топохимических) взаимодействий, нельзя не заметить ряд неустранимых «белых пятен»:

1) если «первой стадией процесса является гидролиз минералов клинкера, сопровождающийся выделением извести», то не совсем ясна исходная позиция: что же приводит к, практически, мгновенному разрушению молекулярных связей искусственно полученного камня с выбросом в жидкую фазу одного из его составляющих?

2) в свою очередь, гидролизные проявления служат отправной точкой последующих электроповерхностных процессов. Иначе говоря, последние являются следствием появления на поверхности клинкерных зернах энергетически не насыщенных точек (разрушенных молекулярных связей), откуда всплывает предыдущий вопрос;

3) периодичность твердения связывается с появлением и разрушением гидратных экранных пленок. Однако данный аспект, как ранее отмечалось, может иметь место на поздних этапах (например, к суткам) твердения, в то время как периодичность (цикличность) процесса просматривается в гораздо более ранние сроки.

В то же время, анализ работ указывает на существенную роль в гидратации исходных цементных минералов поляризационных, электрокинетических процессов. Можно предположить, что природа этих процессов, «замороженность» кристаллохимического строения минералов, дипольное строение, ассоциированность воды неразрывно взаимосвязаны между собой. При соприкосновении компонентов на границе раздела фаз «поверхность клинкерного зерна – вода» мгновенно формируется двойной электрический слой (ДЭС), за счет адсорбции «активной» поверхностью клинкерных зерен диполей воды. Поверхность раздела приобретает электрический заряд определенного знака и величины. К плотной области двойного слоя непосредственно примыкает диффузная зона, представляющая собой сгущение определенным образом ориентированных диполей. Таким образом, сразу же после соприкосновения цемента с водой в межфазной зоне образуется промежуточная (переходная) энергетическая композиция (цементная «мицелла» по Г.Н.Сиверцеву), коренным образом влияющая на дальнейший ход процесса.

Вряд ли требует особых доказательств тезис о том, что данная композиция должна иметь неравновесный, а потому динамичный, постоянно меняющийся характер (в противном случае, дело бы и ограничилось формированием равновесного двойного слоя). По всей вероятности, ДЭС имеет вид не равномерно «размазанных» по поверхности подложки зарядов, а достаточно сложную, так называемую «пористую», «размытую» структуру. Не исключено, что в данной структурной особенности энергетической композиции определенную роль играют «молекулярная шероховатость» поверхности клинкерных минералов, наличие микродефектов (микротрещин, пор, межкристаллитных пустот) твердой фазы, кооперативный характер диполей, присутствие в жидкой среде большого количества микропузырьков растворенного газа, коллоидных включений и многие другие имеющие место, но, тем не менее, сложно учитываемые факторы. Неравновесность и динамизм композиции определяют ее развитие, меняющееся со временем энергетическое состояние, что и приводит, в итоге, к достижению критического уровня, разрушению исходных компонентов и химизму процесса.

Электроповерхностные явления при гидратационном твердении цементных систем – объективная реальность, определяющая химическое взаимодействие реагентов, «скачкообразность» структурообразующего процесса, «немонотонность» превращения цементного теста в камень. Только с учетом данного аспекта следует рассматривать развитие процесса взаимодействия системы «цемент – вода», на основе которой формулируются принципы направленного технологического воздействия для повышения свойств, надежности и долговечности бетона и железобетона.

В этой связи, принята рабочая гипотеза об определяющей роли при гидратационном твердении портландцемента поверхностных явлений, включающих стадийное формирование на границе раздела фаз «поверхность клинкерного зерна – вода» переходных неравновесных энергетических комплексов с их развитием (аккумулированием собственной энергии), достижением критического уровня и распадом (химизмом процесса), определяющих, тем самым, «скачкообразный» характер твердения цементных бетонов, формирование на гидратированной поверхности зерен относительно равновесных структур «остаточные активные центры – адсорбированный слой диполей», играющих неоднозначную роль в свойствах затвердевшего композита.

Цель работы – установление взаимосвязи «внешние факторы – стадийность гидратационного твердения цементных систем» и разработка теоретических основ малоэнергоемкого производства цементных бетонов с повышенными эксплуатационными свойствами.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1) на основании работ в области дальнодействующих поверхностных сил гетерогенных систем, структуры и свойств граничных слоев воды уточнить возможную динамику электроповерхностных явлений на границе раздела фаз «клинкерное зерно – вода» и оценить их роль в стадийном (скачкообразном) характере гидратационного твердения портландцемента;

2) с позиций поверхностных процессов рассмотреть кинетику сопровождающих твердение цементных материалов свойств и явлений (пластической прочности, тепловыделения, объемных деформаций, развитие вакуума, пилообразного роста прочности и др.);

3) уточнить влияние на стадийный характер твердения и конечные свойства бетонов основных технологических факторов и воздействий (вида и состава портландцемента, количества воды затворения, температуры, минеральных и химических добавок-электролитов, пластифицирующих, способов активации);

4) сформулировать основные принципы направленного технологического воздействия на формирование структуры цементного камня и бетонов для интенсификации твердения, повышения прочностных и эксплуатационных свойств конечной продукции;

5) провести производственную проверку полученных экспериментально-теоретических предпосылок для возможности обобщения результатов, разработки нормативно-технологической документации и широкого распространения активационной технологии бетона и железобетона в отечественной строительной индустрии.